CN105451631A - 用于操纵线圈功率优化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

优化单元控制电磁铁组的电流以产生用于移动GI系统中的体内装置的需要的操纵磁场模式(MMP)。优化单元可计算将体内装置从当前位置和/或取向操纵至新的位置和/或取向的磁力和磁场。优化单元可求解关于磁力的磁力优化问题以便确定适于产生需要的MMP的电流。优化单元可额外地或可选地求解关于由电磁铁将消耗的电功率的最小电功率优化问题以便重新计算或调节电流。优化单元可当符合与每一类型优化目标关联的约束组或从每一类型优化目标推导的约束组时求解优化问题中的一个或多个。

Description

用于操纵线圈功率优化的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及磁场中磁铁的操纵，更具体的说，涉及一种基于磁场的操纵系统、用于操纵可吞下的体内装置的方法和基于其电功率被提供至操纵系统的优化方法。

背景技术

体内测量系统和其它类型的体内系统(例如用于执行外科手术和雷类似手术的体内装置)在本领域中是已知的。可穿过胃肠(“GI”)系统(嘴至肛门)或其它身体器官/系统的一些体内装置/体内系统可包括用于对GI系统的内部成像(例如，捕获GI系统的内部图像)的成像传感器或成像器。体内装置可包括一个或多个成像器。其它体内装置能可选地或额外地包括用于在GI系统中给药的药物容器和器件。其它体内装置可包括用于执行体内手术等的器件。自主体内装置是通过消化系统施加的蠕动力被推动通过GI系统而穿过GI系统的装置。自主体内装置也可时断时续地“间歇地”在肠道中移动。

通过使用蠕动力将装置在体内移动具有缺点。例如，体内装置可被不受控制地卡在GI系统的某处长达未知的时间段；装置可能在一个方向上捕获图像，同时可能在临床上更关注的附近区域不被充分成像或根本不成像等。

存在用于磁性地操纵体内装置的磁性操纵系统。可通过将磁铁结合到装置中来磁性地操纵装置。这种操纵系统可被设计成将体内感测装置从一个空间位置磁性地移动至另一个空间位置并且变换其空间取向(例如滚动角、俯仰角和/或偏转角)。

常规磁性操纵系统具有缺点。例如，一些系统被允许过于稳健以便能够提供较大的磁场产生电流同时允许操纵系统消耗过量的电功率。常规磁性操纵系统相对于被输出至GI系统的各个区域的磁场和磁力的优化是不加区别的。

例如，假设磁性操纵系统可通过使用电流的各种组产生用于操纵装置的操纵磁场模式(“MMP”)，其中每一个电流被提供至电磁铁，将有益的是，能够选择电流组使得通过这些电流产生MMP将导致尽可能与期望的磁力接近的磁力并且如果需要导致尽可能小的总电功率。

发明内容

优化单元可控制操纵电磁铁的电流以便产生可将体内装置在GI系统中移动的操纵磁场模式(MMP)。控制器(例如，运动控制器)可计算期望的磁力和/或期望的磁场的值，该值可取决于例如GI系统中的装置的位置/取向(当前或预期/目标)和可选地取决于GI系统中的装置的速度/速率。控制器能将可表示例如第一磁场细节组的数据或包括或表示用于移动体内装置的第一磁场、第一磁力和第一磁扭矩的数据输出(并且传输例如至优化单元)。优化单元可接收表示第一磁场细节组的数据并且它可将需要的磁力或需要的磁场(例如通过控制器计算的磁力/磁场或由其推导或以其它方式与其相关联的磁场)选择为优化目标。优化单元可求解优化目标以获得电磁铁的电流的最佳配置或最佳组或为电磁铁获得电流的最佳配置或最佳组使得将这些电流提供至操纵电磁铁导致与期望的磁力尽可能接近的磁力。优化单元可获得电流的最佳组使得与优化目标相关联或符合来自优化目标的预定的或预选的约束组。

优化单元可额外地或可选地将最小电功率(电磁铁消耗的功率)选择为最佳目标。优化单元可求解最小功率优化目标以为电磁铁获得电流的最佳配置或最佳组使得由这些电流将被提供至其的电磁铁所消耗的所得总功率将会最小。优化单元可获得电流的最佳组使得符合与最低电功率优化目标相关联或由最低电功率优化目标推导的预定的约束组。需要的磁力和与任何优化目标一起使用的约束组可取决于GI系统/道中的操纵装置的当前位置和/或取向和/或速度/速率，或根据GI系统/道中的操纵的装置的当前位置和/或取向和/或速度/速率而设定。

附图说明

在附图中说明各种示例性实施例，其意图是这些示例不是限制性的。将理解的是，为了说明的简单化和清楚起见，在下面引用附图中示出的元件不一定按比例绘制。在被认为合适的地方，参考标号也可在图中重复以指示相同的、相应的或类似的元件。在附图中：

图1说明了根据示例性实施例的环形电磁铁组件/设置；

图1A示出了根据示例性实施例的电功率优化系统的高级框图；

图2描绘了根据示例性实施例的操纵电磁铁系统；

图3A是根据示例性实施例的磁性操纵系统的框图；

图3B是根据示例性实施例的磁性操纵控制系统的框图；

图4是根据示例性实施例的体内系统的框图；

图5示出了根据示例性实施例的磁性操纵方法；

图6示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；

图7示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；

图8示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法；

图9示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法。

具体实施方式

如下描述提供了示例性实施例的各种细节。但是，该描述并不旨在限制权利要求的范围而是解释本发明的各种原理和其的实施方式。

磁性操纵系统可包括例如用于控制体内装置在期望的方向和/或以期望的速度移动的运动控制器和用于为符合受到相关约束组的优化目标的电磁铁组选择或计算电流的最佳组的优化单元。计算电磁铁的电流涉及需要使用约束求解偏微分方程组和求解方程。优化单元可例如在使用线性系统的方程时输出解(例如以为电磁铁或用于电磁铁的电流组或电流配置或表示这种电流的数据的形式)。

假设电磁铁是无芯(它不包括“磁”芯)的，由这种电磁铁产生的磁场(B)与通过/进入电磁铁的电流呈线性关系。因为磁力(F)和磁扭矩(T)与产生磁力和磁扭矩的磁场呈线性关系，所以磁力和磁扭矩与电流也呈线性关系。由于电流和磁场B、磁力F和磁扭矩T之间的线性关系，所以有益的是(例如为简单起见)，在磁操纵系统中通过求解线性方程组来计算用于操纵电磁铁的电流。然而，因为操纵电磁铁可包含铁芯，所以“线性”电流被补偿用于由芯导致的去线性化效应。(通过“线性电流”是指例如不存在磁芯时维持电流和磁场/磁力/磁扭矩之间的线性关系的电磁铁的电流。通过“实际电流”在此是指纳入或补偿由于电磁铁的芯导致的非线性的线性电流的描述)。因此，当本发明的电磁铁被“实际电流”驱动(供应)时，电磁铁电流的重新计算(例如按比例缩小电流或按比例降低电流)在线性域/空间中进行。即，如果需要的话，实际电流可迭代地被转换回线性电流并重新计算(例如通过使用按比例缩小因子按比例缩小)，产生的电流值可被转换回(不同的或新的)实际电流。

一些实施例被下面描述为包括或使用八个电磁铁。然而，也可使用其它数量的电磁铁，例如小于八个电磁铁(例如四个电磁铁等)，或多于八个电磁铁(例如九个电磁铁、十个电磁铁等)。

图1说明了根据发明的示例性实施例的环形设置的电磁铁系统100。一般而言，N个电磁铁可被环形设置并且形成平面(例如如图1说明的XY平面)，例如，使得每一个电磁铁可在圆的相对侧具有成对的、共轭的电磁铁。举例来说，N＝8，即电磁铁系统100可包括八个电磁铁(表示为110、120、130、140、150、160、170和180)，其形成圆102或环形外切于圆102。环形电磁铁系统100可形成或位于与在Z轴的方向具有法线的笛卡尔X-Y平面相重合的平面上。

电磁铁110-180可在功能上被分为四对共轭的电磁铁，其中每一对可包括第一电磁铁和可与第一电磁铁相对设置的第二电磁铁。电磁铁系统100的电磁铁可与坐标原点104的距离相等并且在圆102上等间距地隔开，任何两个相邻的电磁铁分离的角度相同。

一对示例性电磁铁(在106处示出的一对)可包括在Y轴上表示为110和150的两个电磁铁；在相对于Y轴可呈+45度角的方向190上表示为120和160的两个电磁铁；在X轴上表示为130和170的两个电磁铁和在相对于X轴可呈-45度角的方向上表示为140和180的两个电磁铁。

需要的/必需的磁性操纵模式(MMP)(例如用于操纵装置的磁场和磁梯度)可利用包括电流大小和电流方向的一个以上组合的电磁铁的一个以上的组合来产生。如此处所解释，MMP可包括方向可以是包括仅在X轴/X方向或仅在Y轴/Y方向或仅在Z轴/Z方向或在任何中间方向/介入中间的方向(例如相对于任何轴呈任何角度)的任何期望的方向的磁场。示例MMP被示于108处。示例EMP108具有方向处于X-Y平面而不处于Z方向的磁场。(如此处所解释，如果线圈系统包括如此设置使得它们能产生Z方向上的磁场的电磁铁，则其它MMP可具有处于X-Y平面中的其它方向并且也处于Z方向的磁场。)MMP108的取向可例如通过关闭电磁铁120、140、160和180(切断流过电磁铁120、140、160和180的电流)并且使用不同电磁铁组例如电磁铁110、130、150和170来可控地被变换为不同的定向。当此处被称为定向可指装置指向的方向或装置的角位置或姿态或对象在旋转坐标系中的布置的表示。这种电磁铁交换可导致例如MMP逆时针旋转45度或顺时针45度，其取决于各个电磁铁的电流的方向。

在图1中示出的磁场产生方案提供例如体内装置的增强的/改进的可操作性，因为它能在三维手术区域内在任何空间方向上产生磁场并且另外它提供对准装置的磁场方向和设定被施加至操纵的装置的力的方向和大小的磁梯度的方向和大小的独立控制。

图1A示出了根据示例性实施例的优化系统1000的框图。优化系统1000可包括作为示例性控制器的运动控制器1010和优化单元1020。运动控制器1010可接收位置和/或取向(P&O)数据(1002)。P&O数据1002可包括表示或关于磁性地操纵装置(例如包括磁铁的体内装置)的当前位置和取向(当前P&O)的数据和表示或关于装置的下一个(例如新的)P&O的数据。表示速度的数据可被并入P&O数据1002，以这种速度体内装置应被移动至下一个或新的P&O。运动控制器1010可使用P&O数据1002来计算第一磁数据或磁细节组：例如移动装置所需的(第一)磁力和/或变换其取向所需的(第一)磁场和/或(第一)扭矩运动控制器1010然后可将表示计算的(第一)磁场数据或细节组例如第一/计算的磁力和第一/计算的磁场的数据(1012)输出至优化单元1020。(运动控制器1010计算用于移动和定向装置的和构成、形成、创建或具有关联的操纵磁场模式(MMP)。因此，数据1012可表示用于操纵装置的需要的/必需的MMP。)磁力的值可取决于选自由下述组成的因素组的因素或是选自由下述组成的因素组的因素的函数：装置在胃肠系统中的位置和装置在胃肠系统中的速度/速率。

诸如控制器340、优化系统1000、运动控制器1010、优化单元1020、控制器460和在此描述的其它处理器或处理单元等单元可以是或包括或可被包括在可以是例如被配置成例如通过执行软件或代码来执行本发明的实施例的专用处理器或控制器或通用处理器或控制器的一个或多个处理器或控制器内。

优化单元1020可从运动控制器1010接收数据1012以便使用数据来优化电流组(例如获得“电流解”)并且将优化的电流组提供至操纵的电磁铁以产生可控地操纵体内装置的需要的或期望的磁场细节。另外，优化单元1020可接收可表示一个或多个优化目标的数据1014和可表示与每一个优化目标相关联或由每一个优化目标推导的约束组的数据1016。使用约束能使优化单元1020获得在电磁铁的电流、磁场/磁力/磁扭矩、操纵系统消耗的电功率等方面是最优的用于操纵系统的电流解。

假设磁性操纵系统包括N个电磁铁，优化单元1020可控制被提供至N个电磁铁的电流，从而在手术区域内(例如在GI道的特定区域内)产生操纵磁场模式以在这一区域内可控地移动体内装置。优化单元1020可例如从运动控制器1010接收可表示第一(计算的)磁场数据组或例如由用于移动体内装置的第一磁场(B)、第一磁力(F)和可选的第一磁扭矩(T)组成的磁场细节组(1012)的数据。第一磁场细节组可通过运动控制器根据表示在受试者的消化道/胃肠道中的体内装置的位置和/或取向(P&O；在1002处)的数据来计算。

优化单元1020可基于P&O数据从由(i)在预定的方向实际被施加于体内装置的第二(输出)磁场细节的值和由运动控制器1010计算的第一磁场细节的值之间的最小差和(ii)由产生MMP的电磁铁消耗的电功率(P_min)的最小值组成的组中选择一个或多个优化目标。(第二磁场细节可以是第二磁场、第二磁力或第二磁扭矩。)优化单元1020也能选择可与选择的优化目标和第一(计算的)磁场数据组或磁场细节组相关联或由选择的优化目标和第一(计算的)磁场数据组或磁场细节组推导的约束组。(约束组可根据使用的优化目标和第一(计算的)磁场细节来选择。)

优化单元1020可将电流的最佳组输出(1022)并且提供至操纵的电磁铁使得电磁铁共同产生的磁场细节满足选择的优化目标并且符合分别与选择的优化目标相关联或由选择的优化目标推导的选择的约束组。

优化单元1020可从由下述组成的组中选择一个或多个约束组：(a)磁场(B)的允许值或允许范围、(b)磁力(F)的允许值或允许范围、(c)磁扭矩(T)的允许值或允许范围、(d)磁场方向(α)的允许值或允许范围、(e)磁力方向(β)的允许值或允许范围、(f)磁场(B)和磁力(F)之比)(R＝B/F)的允许值或允许范围。(也可使用其它类型或额外类型的约束。)

优化单元1020可基于(i)体内装置的当前位置和/或当前定向、(ii)体内装置的新位置和/或新定向或(iii)体内装置的当前位置和/或当前定向和新位置和/或新定向来选择第二磁力可被视为实际或需要的磁力的第二磁力可与可被视为初始磁力或目标磁力的第一磁力相同。第二磁力可与第一磁力不同。例如，第二磁力可弱于第一磁力。第二磁力可选自由下述组成的组：(i)可例如通过使用选择的电流或选择性地操作电流产生的最大磁力(Fmax)和(ii)小于最大磁力的磁力。

优化单元1020可为第二磁力求解磁力优化问题以便获得可能驱动电磁铁的第一电流组。优化单元1020可额外地或可选地求解“最小电功率”优化问题以获得可能驱动电磁铁的第二电流组。优化单元1020可根据各种因素例如下述因素决定求解或者制止求解“最小电功率”优化问题：(i)体内装置处于或在消化(胃肠道)道中的区域和/或装置的速度/速率或(ii)移动体内装置所需的磁性力的大小。(优化单元1020可使用其它决策标准。)优化单元1020可当/如果“最低电功率”优化问题未被求解时将第一电流组提供至电磁铁并且可当/如果“最低电功率”优化问题被求解时将第二电流组提供至电磁铁。

在优化单元1020求解优化问题或多个问题以获得符合优化目标和相关联的或推导出的约束的电流的最佳组或更合适组之后，优化单元1020将表示电流的最佳解的数据或信号(1022)输出至可使用数据/信号1022来相应地变化或调节电磁铁的电流的控制器(例如在图1A中未示出的电流控制器)，从而产生尽可能接近需要的磁场细节并且符合相关联的或推导出的约束组的磁场细节。

图2描绘了根据发明的示例性实施例的包括与图1的环形电磁铁系统相似的电磁铁系统100和另外的“Z”线圈/电磁铁(实现为亥姆霍兹环形线圈对)的操纵电磁铁设置205。“Z-线圈”是可位于或与垂直于Z轴(202)的X-Y平面相重合(或位于与X-Y平面平行的平面)的线圈/电磁铁。(Z线圈可形成在Z方向上具有法线的平面)。Z线圈可在Z方向(例如在+Z方向或在-Z方向)产生磁场和磁场梯度。图2描绘了表示为290和292的两个Z-线圈。额外的Z-线圈可被插入在Z-线圈290和Z-线圈292之间以提高Z方向上的磁场，例如使Z上的磁场更均匀并且必要时更强。线圈/电磁铁210-280和Z-线圈290和292被示出可以是如在294处示出的八角形的外壳/壳体封装。

图3A是根据发明的示例性实施例的磁性操纵系统300的框图。磁性操纵系统300可包括磁性操纵控制系统305、受试者可躺在上面的床350、数据记录器/接收器370和位置和取向(P&O)系统380。在受试者躺在床350上之前或同时，受试者可吞下体内装置360。床350被可控制地移动。

磁性操纵控制系统305可包括可与图2的操纵线圈/电磁铁系统相同或相似的操纵线圈/电磁铁系统310、可被配置以将电流提供至线圈/电磁铁系统310的线圈/电磁铁的电源320、用于单独地调节线圈/电磁铁系统310的每一个线圈/电磁铁的电流(包括值和方向)的放大器330(例如每一个线圈/电磁铁一个放大器)、用于例如通过单独控制每一个放大器的电参数(例如放大/增益、传导等)改变放大器的电气状态来控制MMP的控制器340和存储器342。为了使体内装置在期望的方向和以期望的速度移动，控制器340可基于从P&O系统380接收的P&O信息通过使用/操作放大器330和电磁铁系统310来控制体内装置360的移动以在需要的方向上产生需要的磁场梯度。电磁铁系统310可包括N个电磁铁，放大器单元330可被控制器340控制以将N个电流组输出并且分别提供至N个电磁铁。存储器342可存储指令码(例如用于控制器340)、P&O信息/数据，用户输入数据等。

咽下体内装置360的受试者可躺在床350上。体内装置360可将关于在受试者的GI系统中获取的图像的图像数据和其它类型的可能数据无线地传输至数据记录器/接收器370。(记录器/接收器370可被并入或附接至包括线圈的台架310。)记录器/接收器370可将图像数据和可能的其它类型数据(例如位置和/或取向数据)传送至控制器340。控制器340可将传送的图像显示至显示装置并且可使用它们或例如任何其它信息以在受试者的GI系统中操作或操纵体内装置360。

P&O系统380可传输接近于受试者GI系统的定位信号(382)，驻留在体内装置360中的定位信号感测器(例如感测线圈)可感测定位信号并且将与体内装置的当前P&O相关的原始的、预处理的或完全处理的P&O数据传输至数据记录器370。数据记录器370可将关于当前装置的P&O的P&O数据传送至P&O系统380。根据数据记录器370的处理能力，P&O系统380可处理或进一步加工或全面分析P&O数据并且将相应的P&O信息传送至控制器340。

用户(例如医生)可使用输入系统390将关于体内装置360的需要的P&O或下一个或预期的P&O的P&O数据传送至控制器340。控制器340可分析相对于当前P&O信息的需要的/下一个/预期的P&O并且基于差别，控制器340可确定(例如通过计算)应该产生的磁场和磁力的大小和/或方向以便将体内装置360从当前P&O移动至需要的/下一个P&O。然后，控制器340可计算被提供至电磁铁310的电流以便根据确定的大小和/或方向产生磁场和磁力。然后，控制器340可将相应的信号或者多个信号输出/传送(332)至放大器330以相应地调节一个或多个放大器330的电参数。然后，调节的电流可被供给至或提供至电磁铁310以将体内装置360操纵至下一个、预期的或新的P&O。控制器340可监控(334)，例如它可获得关于放大器330的状态的反馈并且使用反馈信息并结合P&O数据/信息来控制放大器330的状态。控制器340也可控制(322)电源320例如以改变电流的动态范围。即控制器340可通过控制电源320的电气状态来粗略地控制各种电流，电流可通过使用放大器330由控制器340微调。

控制器340可被配置成操作N个电磁铁以同时生成或产生在第一方向对齐体内装置的磁场和在第二方向将力施加/应用在体内装置上的磁梯度，从而操纵(可控地改变)体内装置的位置和/或取向。磁梯度的方向(第二方向)可例如平行于第一方向(磁场的方向)或相对于第一方向呈角度。控制器340可选择地激活一个或多个电磁铁以便产生需要的或必需的MMP。即并不是电磁铁系统310的所有电磁铁必须被激活或使用以产生特殊的MMP。控制器340可(例如从P&O系统380)接收表示例如在设置在环形设置的N个电磁铁中的受试者的GI系统中的体内装置360的当前P&O的P&O数据并且它可例如从用户/操作者获得(392)表示GI系统中体内装置的预期的P&O的数据。然后，控制器340可产生控制信号(332)并且将控制信号(332)转发至放大器330，从而基于P&O数据控制用于N个电磁铁的电流(大小和方向)。

图3B是根据发明的示例性实施例的磁性操纵控制系统305'的局部框图。磁性操纵控制系统305'可包括电磁系统310'，电磁系统310'可包括表示为电磁铁-1(以312示出)、电磁铁-2(以314示出)…电磁铁-N的N个电磁铁。N个电磁铁(例如N＝8)可以此处描绘的方式工作。磁性操纵控制系统305'也可包括以330'示出的N个放大器，例如每一个电磁铁一个放大器。N个放大器可分别将N个电流供给至N个电磁铁。例如放大器“放大器1”将以302示出的电流I1供给至电磁铁-1，放大器“放大器2”将以304示出的电流I2供给至电磁铁-2，依此类推。(也可使用其它放大器配置。例如可使用具有多个电流输出的放大器。)

体内装置(例如，体内装置360)可使用一个以上的电流解被迫从一个位置移动至另一个位置或被迫改变其取向。(术语“电流解”是指共同产生将体内装置操纵为需要的或必需的位置或取向所需的磁性操纵模式(MMP)的选择的电磁铁组和电磁铁电流组。)即，相同(或相似)MMP可通过使用不同的电流解来产生，其中不同的电流解可指(例如包括使用)不同电磁铁电流I1(以302示出)、I2(以304示出)，I3…IN组。(电磁铁的电流Ii的选择是指电磁铁的电流和方向(例如负方向或正方向)的值的选择。选择电流还指相关电磁铁的选择。)然而，由系统的电源(例如图3A的电源320)和外围设备(例如电磁铁、控制系统等)消耗/使用以便驱动系统的电磁铁的总电功率可在电磁铁和电流组之间变化。即，特定电磁铁组和电磁铁电流组的选择可比其它组更经济(在总电功率方面)，其需要关于在例如总电功率方面电磁铁电流的哪一个组更适合特定操纵需求或MMP的优化过程。控制器340可在选择电磁铁和电磁铁电流中执行优化过程/程序以确定电磁铁和电磁铁电流的哪一组对于任何操纵需求(例如用于产生MMP用于将装置在三维手术区域中从一个点操纵至另一个点等)是最佳(例如在需要的磁力、功率消耗等方面)。通过执行软件或指令可执行的图3A-图3B中的控制器340通过优化系统1000、运动控制器1010和优化单元1020中的任何一个执行的步骤，因此其可用作这些单元。

图4示出了根据示例性实施例的体内成像系统400。体内成像系统400可包括具有成像器412的体内装置406、数据记录器408、可以是例如工作站或个人计算机的工作站430和用于显示例如图像和/或者视频片段或移动图像流和用于显示与体内装置的位置和/或定向相关的信息的显示装置402等。工作站430可在功能上连接至图3A的操纵系统305并且显示(例如在显示装置402上)关于用来或可用来操纵装置406的电磁铁和电磁电流和/或潜在电磁铁组和潜在电磁铁电流组的各种数据。

举例来说，体内装置406可包括一个成像器(例如成像器412)或多个成像器。体内装置406也可包括用于照明待成像的GI段/位置/器官的光源/照明源4914、可执行通过控制器340执行的步骤或程序的一些或全部的控制器460、优化单元1020或这里描述的其它单元、用于存储数据的存储单元440、用于传输(442)图像帧并且可选择地用于从数据记录器408接收(448)数据和/或命令的收发器450和用于为装置(406)供电的电源。

体内装置406可包括位置和转向单元(LSU)407。LSU407可包括用于感测例如通过外部定位系统(未示出)产生的定位信号的感测线圈组件(SCA)410。SCA410可包括用于通过电磁感应感测定位电磁场/定位电磁信号的例如可互相垂直的k个电磁感测线圈，其中k是等于或大于1的整数(例如k＝2或k＝3)。体内装置406的当前位置和可选的当前取向可根据SCA410感测(感应的)的EMF信号来确定。

装置406也可包括可与例如通过图3A的磁性操纵系统305或相似系统产生的磁场相互作用的永磁铁411。结合磁场的磁铁411可产生在期望的方向操纵装置406或在期望的取向/定向或定位装置406的磁力和/或磁扭矩。装置406可包括用于测量在SCA410中感应的EMF信号的大小的感测信号处理器(“SSP”)413。控制器460可使用收发器450将表示EMF信号(装置406的P&O数据)的数据传送至数据记录器408。

数据记录器408可包括例如收发器444和控制器490。数据记录器408可包括用于与处理和/或显示系统通信(例如将数据帧、数据等传送至处理和/或显示系统)的额外组件，其中处理和/或显示系统可配置成例如处理来自体内成像器412的图像、定位数据和相关数据。收发器444可从体内装置406接收(442)P&O数据。

工作站430可包括显示器或在功能上连接至外部显示器(402)。控制器490可将位置和取向(P&O)数据传送至工作站430以用于显示在例如显示器402上。工作站430也可将信息显示在可选择的和/或可选的电磁铁组、它们的计算电流组和它们的总电功率组，工作站430可根据系统的配置使得用户或手术者手动地激活她/他的偏好组。可选地，电磁体和电流组的选择可利用仅显示例如针对磁性操纵而选择的电磁铁和它们的电流的磁性系统的状态的工作站430自动地执行。控制器490也可将关于体内装置406的当前P&O的P&O信息发送至磁场操纵控制系统(例如至图3A-图3B的控制器340)，磁场操纵控制系统可基于从数据记录器408接收的P&O信息和可选的关于新的或期望的P&O的P&O数据产生MMP。

图5示出了根据发明的示例性实施例的磁性地操纵方法。如上所述，控制器340可被配置以产生其磁场在第一方向对齐体内装置的MMP和其方向处于可不同于第一方向的第二方向的磁梯度(磁力)从而改变体内装置的取向或完全改变其位置。控制器340可被配置以计算或选择用于电磁铁的电流组或将计算的/选择的电流提供至电磁铁以便获得(例如以便使电磁铁产生)需要的或必需的MMP，如下所述。控制器340可产生保持体内装置的当前位置和/或当前取向或将体内装置移动或旋转至需要的位置和/或取向的磁场和磁梯度。控制器340可选择所有的电磁铁以操纵体内装置并且单独地计算用于每一个电磁铁的电流以便产生将体内装置操纵至必需的/下一个位置并且可选地或额外地将它旋转至必需的/下一个定向的MMP。

在步骤510，磁性操纵控制器(例如图3A-3B的控制器340)可接收与体内装置例如体内装置360或体内装置406的当前P&O相关的P&O信息。MMP可相对于包括或被限制于包括装置的有限空间的空间操作区域来确定。因此，装置的当前P&O必须在计算或确定新的MMP之前是已知的。在步骤520，可为装置确定/设定(例如通过控制器例如自动地或通过用户手动地)新的P&O。

在步骤530，控制器可计算用于将装置操纵至下一个/新的位置和/或将装置旋转至下一个/新的取向的磁场和磁力。可能存在操作精度会被折衷的情况。例如，当体内装置处于小肠中时，装置的位置和/或取向的小偏差或不准确是可接受的或容许的，而当装置处于胃中时，在小肠(例如)中容许的偏差在胃中可能是不容许的。因此，可允许操纵系统的电参数和磁性参数的一些公差/余量，允许的公差/余量此处被称为“约束”。

在步骤540，控制器可将最小电功率选择为优化目标和(优化)约束组并且基于它们确定用于计算的磁场和磁力(在步骤530计算的)的潜在的电流组。将潜在的电流组应用至电磁铁可在与优化目标相关联的约束下产生满足优化目标(在该示例中为最小电功率)的磁数据或磁细节(例如磁场或磁力)。

在步骤550，确定(例如通过控制器340)在步骤540计算的潜在的电流组是否引起小于(低于)阈值Pmax的电功率P。如果它是真的(在步骤550被示为“是”)，则控制器340不搜索其它电流组并且控制器(例如控制器340)在步骤560中使用在步骤540获得的电流组来产生相应的MMP。然而，如果潜在的电流组引起大于(高于)阈值Pmax的电功率P(在步骤550被示为“否-1”)，则控制器可在步骤540例如通过改变优化目标和/或优化约束搜索另一电流组(每次迭代循环552)。如果控制器已经获得一个以上的电流组但是它们都不满足条件550(在步骤550被视为“否-2”)，则控制器可使用如在步骤570示出的导致最小电功率(每一个分支554)的电流组。

在步骤550，控制器(例如控制器340)可执行优化程序以确定如果被使用/应用的话，哪一个电流组会例如导致最小功率消耗或者根据另一个实施例，导致期望的磁力(例如最大磁力、小于最大磁力的磁力等)。电流组的每一个电流与具体的电磁铁相关联并且选择电流也指选择相关联的电磁铁。

优化过程可基于公式(1)或包括公式(1)的使用：

$P={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{I}_i^2{R}_i---\left(1\right)$

其中，P为预期由用于产生MMP选择的所有电磁铁消耗的总电功率，n为用于产生MMP选择的电磁铁的总数量，I_i为电磁铁i(其中i＝1、2…n)的电流，R_i为电磁铁i的电阻。

实际上被使用/选择以产生MMP的电磁铁组可以是例如P为最小的电磁铁。然而，在某些情况下例如可选择电流的不太佳或非最佳组以便获得操纵的装置从一个位置/取向至另一个位置/取向的更平稳过渡。电流的选择可在当线性独立电磁铁的数目超过在优化解中需要的或涉及的自由度(DOF)的数量时被优化。

图6示出了根据示例性实施例的磁性操纵方法。在步骤610，由 要素(分别磁场磁力和磁扭矩)的组合组成的特定向量是针对磁性地可操纵胶囊所处的位置和取向形成。特定向量也是分别在N个分开的操纵电磁铁中流动的N个电流的函数。

在步骤612，N×k线性“贡献”矩阵N被创建，其中k为目标向量的长度，N为操纵电磁铁的数量。目标向量为将胶囊操纵至目标或新的位置和/或取向必需的向量。矩阵M的每一个要素M_k,n包括电磁铁#n(n≤N)中已知值(例如1安培)的电流对特定向量的要素#k的贡献。

在步骤614，计算方程的特殊(私有)解(特定表示 的特定组合)。问题的特殊解可通过如下计算矩阵M的伪逆来获得：

${\stackrel{\→}{I}}_p=M^T{\left({\mathrm{MM}}^T\right)}^{-1}\stackrel{\→}{v}---\left(2\right)$

在步骤616，一系列(零空间，NS)解也通过求解方程来计算。因为方程组是线性的，所以这些解可与在步骤641计算的私有解组合以便获得电流的所有解。满足表达式的M(例如，NS_[N×(N-K)])的零空间(核)可通过使用式(3)针对任何获得：

NS＝ker(M)(3)

使所需的功率最小化的电流解可以下述指定的方式获得。

在步骤618，在计算私有解和零空间解之后，导致最小电功率的电流组例如通过使用“加权最小二乘”法来计算。在求解方程的所有无限数量的电流解(取决于度方程组的自由度数量)中，一个解提供最小总电功率。(然而，此解可提供小于或大于最大允许电功率，Pmax的总电功率P。)在步骤618，该解通过使用加权最小二乘算法利用用作参数的在步骤614中获得的特殊(私有)解和在步骤616中获得的零空间。

在步骤620，电流校正因子α_i可针对每一个线性电流I_i进行计算，在步骤622，线性电流可使用具有最小值α_min的电流校正因子都可被按比例缩小。电流校正因子或按比例缩小因子α_min可使用式(4)计算：

${\mathrm{\α}}_{min}=min.\left\{\frac{I_i(max.)}{\left|I_i\right|}\right\}---\left(4\right)$

提供最小从功率的电磁铁组可例如通过获得使总功率最小化的来获得。该数学问题可以是带有已知解的加权最小二乘问题(W＝w_i,i为对角加权矩阵，其中w_i,i为电磁铁#i的电阻)：

$\stackrel{\→}{x}=-{({\mathrm{NS}}^T\·W\·NS)}^{-1}{\mathrm{NS}}^T\·W\·{\stackrel{\→}{I}}_p---\left(5\right)$

最终解可采取 ${\stackrel{\→}{I}}_{linear}=\stackrel{\→}{I}+NS\·\stackrel{\→}{x}$ 的形式。

用于计算修正/按比例缩小因子(和如下所述使用它)的原因在于N个电磁铁的每一个中的电流(I)不被允许超过特定最大值I_i(max)。然而，在数学上，为特定电磁铁计算的电磁铁的电流可能会大于用于该电磁铁的允许电流。因此，在步骤620，按比例缩小因子α针对每一个电磁铁进行计算并且最小按比例缩小因子α_min可被选择用于按比例缩小电磁铁的所有电流。通过使用相同的按比例缩小因子α按比例缩小所有电流保证：一方面，实际流过/流进每一个电磁铁的电流不会超过该线圈的最大允许电流，另一方面，保持由涉及的电磁铁产生的磁场的所有方向以及各种磁场之间的时空相互关系。(被施加至操纵的装置的合力的大小会由于按比例缩小过程降低。)

再参照步骤622，检查α_min是否<1。如果满足该条件(例如，α_min<1)，则这就意味着为电磁铁k计算的电流I_k(1≤k≤N)大于用于电磁铁k的最大允许电流I_k(最大)。如果为这种情况，则所有的N个计算的线性电流通过将线性电流乘以α_min而按比例缩小。因为磁场的磁特性与电流和产生电流和产生其的电磁铁呈线性关系，所以尽管降低操作细节的大小，但是通过使用相同的按比例缩小因子α按比例缩小所有电流引起保持操纵磁数据或磁细节(例如磁场、磁力和磁扭矩)的方向和取向。

在步骤624，假设选择的电磁铁或电磁铁的至少一些包括铁芯，则电流(或如果电流被按比例缩小，按比例缩小的电流)被重新计算以便补偿由于电磁铁的铁芯导致的非线性效应。即操纵电磁铁可包括铁芯以便增大磁场，因此增大磁力等。因为铁芯扭曲电磁铁的固有非线性行为，在该步骤，计算的线性电流I_i被重新计算(变换为电流)以便补偿因这种芯导致的非线性(因子)。如果重新计算的电流满足由流程图设定的其它条件，则它们可用作供电/驱动相关电磁铁的实际电流。

在步骤626，总电功率P通过使用重新计算的或实际的电流为相关的电磁铁来计算。然后，为计算的总电功率P和最大允许功率Pmax之比的功率比PR被计算以便确定相关的电磁铁计算的总功率是否满足功率需求。如果总功率满足功率需求，相关的电磁铁被视为用于产生MMP的合格的或合适的候选电磁铁。

因此，在步骤628检查PR是否>1。如果满足该条件(在步骤628被示为“是”)，则这意味着在步骤624计算的实际N个电流导致(总计为)小于Pmax的总功率P；例如在可接受的总电功率中，在这种情况下，实际N个电流可用于供电或驱动相关的N个电磁铁以产生为其计算这些电流的操纵磁场或MMP。然而，如果PR≤1(在步骤628被示为“否”)，则这意味着在步骤624计算的实际N个电流导致(总计为)超过最大允许总功率Pmax的总功率P，由于这个原因，例如如下所述结合步骤630，电流需要被重新计算(例如进一步被按比例缩小)。

在步骤630，如下所述的，电流被进一步按比例缩小。按比例缩小电流有利地在线性空间中进行。因此，在步骤624计算的实际电流首先通过转换函数从非线性空间被转换回至在线性空间中的电流，转换的电流乘以第二按比例缩小因子g(PR)，其中PR<1，以便进一步按比例缩小线性电流。值得注意的是，原始电流(在步骤618计算的线性电流)在此阶段被按比例缩小两次：一次在步骤622(通过使用α_min)以保证电磁铁电流都不超过最大电流阈值，第二次在步骤630(通过使用g(PR)，其在此处被称为“功率按比例缩小因子”)以保证相关的电磁铁的总电功率P不超过最大功率阈值Pmax。(g(PR)越小；例如计算的总功率P越高，功率按比例缩小因子g(PR)越起主要作用。)

在步骤632，通过使用功率按比例缩小因子计算的更新(“第二次”按比例缩小)的线性电磁铁电流以如在步骤624中的相似方式被转换回(更新)实际电流以补偿相关的电磁铁的铁芯的非线性效应。(因为不同电磁铁可具有不同电特性/磁特性的铁芯，所以每一个线圈i可具有其自身的非线性补偿或“线性到实际”电流函数f_i)

在步骤634，功率比(PR)以如在步骤626中的相似方式被重新计算，仅在步骤634中，PR使用或针对在步骤632计算的更新的实际电流来计算。在步骤636检查更新的PR是否大于1并且小于(1+ε)。类似于步骤628，如果更新的PR大于1(在步骤636被示为“是”)，则这意味着在步骤632计算的实际N个电流导致(总计为)满足功率约束的总功率P；例如P小于Pmax，因此可接受。然而，在步骤636检查为条件PR<(1+ε)其中ε>0的另一个条件，以便保证总功率P没有必要过小。如果更新的PR比满足步骤636的两个条件，则实际N个电流可被选择以供电或驱动相关的N个电磁铁以产生操纵磁场或MMP，这些电流为操纵磁场或MMP而计算。(ε在此被称为“迭代收敛因子”。)

如果PR的值小于或等于1(在步骤636被示为“否”)，则这意味着在步骤632计算的实际电流产生(总计为)总功率P仍太大(例如它仍然超过最大允许总功率Pmax)或它不期望等于功率阈值(Pmax)。因此，电流需要在步骤630通过使用功率按比例缩小因子被进一步按比例缩小。步骤630、632、634和636可被迭代地执行(迭代循环以638部分地示出)以便将PR的值向值1收敛，使用一些小正值(ε)以便保证收敛过程的终止。可选择足够小的ε(迭代收敛因子)使得电磁铁的电流将不会被不必要地按比例缩小太多(并且所得的计算的总电功率P不必要地过小)，另一方面，可选择足够大的ε以保证收敛过程的终止，因此迭代循环638终止。

在步骤636，如果PR>(1+ε)，则这意味着电流解被按比例缩小的比需要的多，这是不期望的，因为所得或由此产生的磁力、磁扭矩、磁场等会无理由地很小。因此，电流会被按比例缩小在允许的迭代收敛因子(ε)内直到PR等于1。

图7示出了根据示例性实施例的磁性操纵方法。在步骤710，与图6(在步骤610)的特定向量相似的特定向量是针对(在数学上表示)磁性地可操纵胶囊所处的位置和取向形成，特定向量也是分别在N个独立的操纵电磁铁中流动的N个电流的函数。(特定向量是将胶囊从装置在需要方向上的位置移动和/或将装置的取向改变至需要的方向必需的向量。)

在步骤720，与图6(在步骤612)的矩阵N相似的N×k线性贡献矩阵被创建。然后计算方程的特殊(私有)解(特定向量表示的特定组合)和与M矩阵相关的零空间解，如果用于驱动相关电磁铁，则为电流组的计算结果会产生在方向移动装置和/或将装置旋转至如特定向量指示或预期取向的MMP。(在步骤720计算的电流被称为“线性电流”，因为这些电流通过使用线性方程组来计算(获得电流解)。)

在步骤730，检查在步骤720计算的/获得的线性电流中的任何一个是否超过各个最大电流阈值(Imax)。(因为电磁铁的空间位置变化，电磁铁可具有不同的电性能/磁性能/物理性能，每一个电磁铁可具有与它相关的不同最大允许电流。)如果操纵电磁铁是无芯的(“无芯”)，则可使用线性电流来激活/驱动操纵电磁铁。然而，如上述所述如果一个或多个电磁铁包括芯，则可需要相关线性电流对由芯引起的非线性效应进行补偿。(假设电磁铁的至少一些包括铁芯。)

如果线性电流都没有超过它各个最大电流阈值(在步骤730被视为“否”)，则线性电流在步骤740对由各个铁芯造成的非线性效应进行补偿。(用于相关铁芯的非线性效应的补偿线性电流产生此处被称为“实际电流”的电流。)然而，如果在步骤720获得的线性电流的至少一个超过其各个做大电流阈值(在步骤730被视为“是”)，则然后在步骤750，在对非线性效应的补偿进行之前，所有线性电流通过使用相同的电流按比例缩小因子(CSDF)α被按比例缩小(成比例地减小)或归一化。CSDFα可以结合图6的步骤620描述的方式计算。因为线性电流通过使用线性方程组进行计算，所以虽然降低了磁场(由此磁力和磁扭矩)的大小/强度，但是通过使用相同的CSDF按比例缩小电流保持电流解的线性，由此保持操纵磁场或MMP的磁特性。

在步骤760，电磁铁的总电功率P使用在步骤740计算的电流来计算，在步骤770检查电磁铁的总电功率P是否小于操纵系统允许的预定的最大功率(Pmax)。如果确定P小于Pmax(在步骤770被示为“是”)，则在步骤740计算的电流都被视为用于驱动电磁铁的电流合格者和功率合格者。即在步骤740获得的电流解提供不超过它们各个最大值的电流组并且操纵系统的功率能够提供必需的电功率。然而，如果确定P等于或大于Pmax(在步骤770被示为“否”)，则这意味着即使它们满足电流约束，但是电流仍会产生不允许的总功率。因此，涉及的电流在步骤790这次通过使用功率按比例缩小因子(PSDF)g被进一步按比例缩小。在影响PSDF之后保持电流解的线性的前提是首先将在步骤740获得的实际电流转换回线性电流，然后使用PSDF(g)进一步按比例缩小线性电流。然后在步骤790计算的按比例缩小的线性电流在步骤740对非线性效应进行补偿。PSDF(g)可以是Pmax和由例如在图6的步骤626和630示出的计算的电流获得的实际功率/总功率P之比的函数。可迭代步骤740、760、770和790并且当P<Pmax时迭代循环792可被终止

图8示出了根据另一个示例性实施例的磁性操纵方法。可使用该方法来通过使用磁性系统磁性地操纵受试者的GI道中的体内装置，磁性系统包括用于产生将体内装置从受试者的GI道中的位置移动至另一个位置或改变体内装置的定向的操纵磁场模式(MMP)的N个电磁铁。

在步骤810，控制磁性系统的控制器可计算操纵向量其包括由分别通过/进入m(m≤N)个电磁铁的m个电流组产生的期望的或需要的MMP的磁场数据或磁场细节的组合。

在步骤820，控制器可计算符合操纵向量和产生最小总电功率(Pm)的初始m个线性电流组的值。在步骤830，控制器可通过用它们乘以电流修正因子α(0<α≤1)来按比例缩小初始m个线性电流例如，控制器可为每一个线性电流计算电流修正因子α并且使用具有最小值(例如α_min)的电流修正因子α来按比例缩小线性电流。

在步骤840，控制器可对非线性效应补偿m个按比例缩小的线性电流以获得m个实际电流组，在步骤850，控制器可计算由实际电流获得的总电功率(P)。如果在步骤860控制器确定总电功率(P)小于最大功率(Pmax)阈值(在步骤860被示为“是”)，则控制器可在步骤862通过使用m个实际电流产生操纵磁性模式(MMP)。然而，如果控制器确定总电功率(P)等于或大于最大功率阈值(在步骤860被示为“否”)，则控制器可(i)如在步骤870示出将m个实际电流转换为m个线性电流，(ii)如在步骤880通过用m个线性电流乘以功率修正因子g(0<g<1)按比例缩小m个线性电流并且迭代地进行迭代循环890直到由m个实际电流获得的总电功率(P)小于最大功率(Pmax)阈值。通过将实际电流转换成线性电流为按比例缩小过程做准备，按比例缩小过程成比例地将MMP按比例缩小同时保持磁场、磁力和磁扭矩的原始方向。

图9示出了根据另一示例性实施例的磁性操纵方法。在步骤910，装置(例如体内装置)的当前P&O(和可选的速度)例如通过使用适于确定GI道中体内装置的位置、取向(和速率)的任何现成的定位(和，如果相关的话，速率)检测系统来检测。在步骤920，计算将装置从当前位置移动在需要方向(例如“向前”方向)必需(因此需要)的磁力(F)。(“向前方向”此处是指处于装置的纵轴或纵向轴的方向。)

在步骤930，磁力优化问题基于装置的当前P&O(和，如果期望的话，速率)为装置限定。根据一些实施例，在步骤920计算的磁力(F)可取决于装置处于在GI道中的当前部分或区域或位置(是装置处于在GI道中的当前部分或区域或位置的函数)并且可选地取决于装置在那个GI部分/区域的速率。例如，需要的/必需的力(F)可根据装置是否处于胃、小肠或结肠中而变化和/或装置是否静止不动(例如被卡住)、移动太慢或正如预期或按照需要移动而变化。例如，当体内装置例如是成像装置时，然后在胃中的装置的取向可以是更重要的因素，然后是施加至装置的磁力，而在小肠中，移动装置的磁力会是比装置的取向更重要的因素。根据另一个示例，不管装置在GI道中的位置，可能需要保持装置的速率，但是移动装置的磁力可根据装置的位置而变化。因此，优化问题可根据必需的磁力(F)或根据涉及的电磁铁被设计成利用其操作的最大允许电功率(P)来限定。

因此，在步骤940，考虑到上述因素(例如P&O信息)，约束值组针对优化问题被设定、选择、限定、计算或以其它方式确定。在步骤950，计算矩阵(M)的系数以便求解优化问题。优化问题可使用在步骤940针对必需的磁场(B)和磁力(F)确定的约束来求解。

在步骤960，可使用在步骤920计算的用于向前移动装置的磁力(F)来求解力优化问题。力优化问题的解释共同生成产生在步骤920计算的磁力(F)所需的磁场梯度的第一电流组。

在步骤970，检查是否存在需要求解最小电功率问题。如果例如被施加至装置的磁力相对小，则没有必要求解最小电功率问题，因为在这种情况下最小电功率并不是问题。然而，如果被施加至装置的磁力相对大(例如它大于一些力阈值)，则存在求解最小电功率问题的余地。因此，如果没有必要求解最小电功率问题，则在步骤992使用在步骤960计算的第一电流组来驱动电磁铁。然而，如果有必要求解最小电功率问题(在步骤970被示为“是”)，则带有可达到的力和期望的力之间的最小值的力约束在步骤980设定，“最小功率”问题在步骤990被求解以便获得第二电流组，然后在步骤992使用第二电流组以驱动电磁铁。

根据一些实施例，用于在体内移动体内装置(例如图3A的装置360或图4的装置406)的方法可包括通过操作/驱动电磁铁的磁操纵系统接收可表示第一磁场细节组的第一磁场数据(或第一数据)组，其可从表示体内装置的位置和定向的数据来计算。(磁操纵系统可类似于或包括或功能像图1的系统100、图2的系统205、图3A的系统310和图3B的系统310'。)方法可额外地包括基于体内装置的位置和取向从由下述组成的组中选择一个或多个优化目标：(i)可表示第二磁场细节组的第二磁场数据(或第二数据)组的一个值或多个值和第一磁场数据的各个值和多个值之间的差值最小和(ii)用于电磁铁或由电磁铁消耗的电功率最小。方法可额外地包括选择约束组，其可与选择的优化目标(可选择一个或多个优化目标)和第一磁场细节组相关联或从选择的优化目标(可选择一个或多个优化目标)和第一磁场细节组推导。方法可额外地包括计算或选择电流组使得当通过将计算的或选择的电流组提供至电磁铁以形成/创建操纵装置的磁性操纵模式时，第二磁场细节满足选择的优化目标并且符合选择的约束组。

虽然本发明的实施例并不限于此方面，但是利用诸如“用计算机计算”、“计算”、“确定”、“分析”等术语可指计算机、计算系统或其它电子计算装置的操作和/或过程，其将表示为计算机寄存器和/或存储器内的物理(例如电子)量的数据操作和/或变换成同样表示为计算机寄存器和/或存储器内物理量的其它数据和/或可存储执行操作和/或过程的指令的其它信息非临时性存储介质。除非明确说明，否则此处所描述的方法实施例不受限于步骤、操作或过程的特定顺序或次序。此外，所描述的方法实施例的一些或其元件可在同一时间点发生或执行。

此处使用的冠词“一”和“一个”根据上下文是指一个或一个以上(例如至少一个)冠词的语法对象。举例来说，“一个元件”根据上下文可指一个元件或一个以上元件。此处使用的术语“包含”意味着短语“包含但不限于”并且与短语“包含但不限于”交替使用。此处使用术语“或”与“和”意味着“和/或”并与短语“和/或”交替使用，除非上下文另外明确指出。此处使用的术语“诸如”意味着短语“诸如但不限于”并与短语“诸如但不限于”交替使用。

此处公开不同的实施例。某些实施例的特征可与其它实施例的特征结合；因此，某些实施例可以是其它或多个实施例特征的组合。发明的实施例可包括诸如计算机或处理器非临时性存储介质，诸如例如编码、包括或存储当由处理器或控制器执行此处公开的方法时所用的指令例如计算机可执行指令的存储器、磁盘驱动器、或USB闪存存储器等物品。一些实施例可被设置在可包括在其上存储可用于为电脑或其它可编程装置编程以执行上述公开的方法的指令的非临时性机器可读介质的计算机程序产品中。具有如此描述的本发明的示例性实施例，对本领域技术人员来说是显而易见的是，已公开实施例的变型将会在本发明的范围内。因此，可选实施例可包括更多模块、更少模块和/或功能上等价的模块。本公开与各种类型的磁性操系统和各种类型的优化技术相关。因此，所附权利要求的范围不受限于此处的公开内容。

Claims (23)

1.一种用于在体内移动体内装置的方法，其包括：

在用于产生操纵磁场特性以在体内移动装置并包括N个电磁铁的磁性系统中，

(a)接收基于表示所述体内装置的位置和取向的数据计算的第一磁场细节组的数据；

(b)基于所述位置和取向选择，

(b.1)从下述选择一个或多个优化目标：

(i)由所述N个电磁铁产生的第二磁场细节组的一个值或多个值和所述第一磁场细节组的各个值或多个值之间的最小差和

(ii)由所述电磁铁消耗的最小电功率，

(b.2)与选择的优化目标和所述第一磁场细节组关联或从选择的优化目标和所述第一磁场细节组推导的约束组；以及

(c)将电流组提供至所述N个电磁铁使得所述第二磁场细节组满足所选择的优化目标并且符合所选择的约束组。

2.根据权利要求1所述的方法，其中选择约束组包括从由下述组成的组中选择一个或多个约束：

(a)磁场(B)的允许值或允许范围；

(b)磁力(F)的允许值或允许范围；

(c)磁扭矩(T)的允许值或允许范围；

(d)所述磁场的方向(α)的允许值或允许范围；

(e)所述磁力的方向(β)的允许值或允许范围；以及

(f)所述磁场(B)和所述磁力(F)之比(R)的允许值或允许范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述位置和取向数据包括表示所述体内装置被操纵至的新位置和新取向的数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其中表示所述体内装置的位置和取向的数据包括表示所述体内装置的当前位置和当前取向的数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其包括基于(i)所述体内装置的当前位置和当前取向或(ii)所述体内装置的新位置和新取向或(iii)所述体内装置的当前位置和当前取向和新位置和新取向来计算所述第一磁场细节组。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁场细节组和第二磁场细节组的每一个包括磁场、磁力和磁扭矩。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述磁力的值取决于选自由下述组成的因素组的因素：所述装置在胃肠系统中的位置和所述装置在所述胃肠系统中的速率。

8.根据权利要求6所述的方法，其中施加至所述体内装置的磁力与计算的磁力相同。

9.根据权利要求6所述的方法，其中施加至所述体内装置的磁力与所计算的磁力不同。

10.根据权利要求6所述的方法，其中施加至所述体内装置的磁力选自由下述组成的组：(i)最大磁力(F_max)和(ii)小于所述最大磁力的磁力。

11.根据权利要求6所述的方法，其包括求解用于计算的磁力的力优化问题以获得用于所述电磁铁的第一电流组。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括求解最小电功率优化问题以获得可能驱动所述电磁铁的第二电流组。

13.根据权利要求12所述的方法，其包括根据(i)所述体内装置处在所述胃肠道的区域或(ii)移动所述体内装置需要的磁力的大小来决定求解或不求解所述最小电功率优化问题。

14.根据权利要求12所述的方法，其包括当不求解最小电功率优化问题时将所述第一电流组提供至所述电磁铁，当求解所述最小电功率优化问题时将所述第二电流组提供至所述电磁铁。

15.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述电流包括：

(a)计算包括所述操纵磁场特性的磁场细节的组合的操纵向量

(b)计算符合所述操纵向量和产生最小总电功率(P_min)的初始N个线性电流组；

(c)通过用电流修正因子α乘以所述初始N个线性电流使所述初始N个线性电流按比例缩小；

(d)为非线性效应补偿所述N个按比例缩小的线性电流以获得N个补偿电流组；

(e)如果由所述N个补偿电流得到的总电功率(Pt)等于或大于所述最大功率阈值(P_max)，则执行：

(i)将所述N个补偿电流转换成N个线性电流；

(ii)用功率修正因子g(0<g<1)乘以在步骤(f)(i)获得的所述N个线性电流

(iii)反复地重复步骤(i)和步骤(ii)直到由所述N个补偿的电流得到的所述总电功率(Pt)小于所述最大功率阈值(P_max)；以及

(f)使用用于获得小于所述最大功率阈值(P_max)的总电功率的所述N个补偿电流产生所述操纵磁场特性。

16.根据权利要求15所述的方法，其中当所述初始N个线性电流组的任意电流超过预定的各个最大阈值时，所述电流修正因子α的值小于1。

17.根据权利要求15所述的方法，其包括(i)为每一个线性电流计算电流修正因子α和(ii)使用具有所述最小值的所述电流修正因子α按比例缩小所述N个线性电流。

18.一种用于在体内移动体内装置的方法，其包括：

接收从表示体内装置的位置和取向的数据计算的第一磁场数据组；

基于所述体内装置的位置和取向从下述组成的组中选择一个或多个优化目标：(i)第二磁场数据组的值和所述第一磁场数据组的值之间的最小差和(ii)用于电磁铁组的最小电功率；

选择与优化目标和所述第一磁场数据组相关联的约束组；

将电流提供至所述电磁铁使得所述第二磁场数据组满足所述优化目标并且符合所选择的约束组。

19.根据权利要求18所述的方法，其包括当所述最小电功率优化目标不被选择时将第一电流组提供至所述电磁铁，当所述最小电功率优化目标被选择时将第二电流组提供至所述电磁铁。

20.一种用于在胃肠道中操纵体内装置的磁性系统，其包括：

N个电磁铁，其被环形地设置并且形成平面；

优化单元，其控制所述N个电磁铁的电流，所述优化单元被配置成：

接收表示基于表示所述体内装置的位置和取向的数据计算的第一磁场细节组的数据；

基于所述位置和取向选择，从下述选择一个或多个优化目标：

(i)由所述N个电磁铁产生的第二磁场细节组的一个值或多个值和所述第一磁场细节组的各个值或多个值之间的最小差，和

(ii)由所述电磁铁消耗的最小电功率，

选择与选择的优化目标和所述第一磁场细节组相关联或从选择的优化目标和所述第一磁场细节组推导的约束组；以及

将电流组提供至所述N个电磁铁使得所述第二磁场细节组满足所选择的优化目标并且符合所选择的约束组。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述优化单元被配置成针对给定的磁力求解磁力优化问题以获得用于所述N个电磁铁的第一电流组并且求解最小电功率优化问题以获得用于所述N个电磁铁的第二电流组。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述优化单元被配置成当不求解最小电功率优化问题时将所述第一电流组提供至所述电磁铁，当求解所述最小电功率优化问题时将所述第二电流组提供至所述电磁铁。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述优化单元被配置成基于根据下述中的任何一个的决定求解或不求解所述最小电功率优化问题：(i)所述体内装置处在所述胃肠道的区域或(ii)移动所述体内装置需要的所述磁力的大小。